Trong thời gian gần đây, Plasmonics - lĩnh vực nghiên cứu về tương tác của bức xạ điện từ và vật liệu nano kim loại - được nhiều phòng thí nghiệm lớn trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Điều đặc biệt là, ở điều kiện cộng hưởng, năng lượng điện từ hấp thụ bởi cấu trúc nano kim loại được tập trung trong một thể tích không gian nhỏ kích thước cỡ nano mét bao quanh cấu trúc nano và trong điều kiện nhất định, các cấu trúc nano kim loại cũng bức xạ ra sóng điện từ. Do vậy, cộng đồng nghiên cứu plasmonics gọi các cấu trúc nano kim loại là plasmonic nanoantenna - cấu trúc nano có thể thu và phát bức xạ điện từ.

Lĩnh vực nghiên cứu về plasmonics có nhiều ứng dụng hứa hẹn dành cho các cảm biến quang học với độ nhạy cao, độ chọn lọc lớn sử dụng trong y-sinh-dược học, quang xúc tác, linh kiện quang-điện tử, các linh kiện hấp thụ bức xạ làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời...

Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp hệ vật liệu phức hợp oxide bán dẫn một chiều và các cấu trúc nano kim loại ứng dụng cho quang xúc tác” được thực hiện bởi nhóm các nhà nghiên cứu Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, do TS. Hoàng Vũ Chung làm chủ nhiệm. Ngày 03/11/2017, Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiệm thu và đánh giá đề tài xếp loại khá.

Đối với lĩnh vực nghiên cứu plasmonics này, mục tiêu đầu tiên của đề tài là xây dựng một hướng nghiên cứu mới về plasmonics tại Viện Hàn lâm KHCNVN, mở ra kênh hợp tác Quốc tế với các đối tác tại Viện Khoa học vật liệu Quốc gia Nhật Bản (NIMS) và Đại học Hanyang, Hàn Quốc. Về mặt khoa học, đề tài có mục tiêu chế tạo các cấu trúc nano kim loại vàng dưới dạng hạt, dạng thanh và dạng màng phân bố ngẫu nhiên với các nanogap. Kích thước của các cấu trúc nano vàng này có thể được điều khiển bằng các thông số thực nghiệm sao cho bước sóng của ánh sáng cộng hưởng với chúng có thể bao phủ một dải bức xạ từ vùng khả kiến cho tới vùng hồng ngoại gần. Sau đó, nghiên cứu sự tăng cường của hoạt tính quang xúc tác của hệ vật liệu phức hợp tạo bởi các cấu trúc nano bán dẫn một chiều tạo bởi TiO2 (hoặc ZnO) và các cấu trúc plasmonic nanoantennas.

Nguyên lý tăng cường hoạt tính quang xúc tác của hệ vật liệu này có thể trình bày một cách giản lược như sau. Các vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng như TiO2 hoặc ZnO chỉ thể hiện hoạt tính quang xúc tác khi được kích thích với ánh sáng tử ngoại, vốn chiếm dưới 5% cường độ ánh sáng của phổ mặt trời (ultra-violet UV). Vì vậy, để mở rộng hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu này sang vùng ánh sáng khả kiến (chiếm 42-45% phổ mặt trời), các tác giả đã chế tạo loại vật liệu phức hợp nói trên nhằm khai thác tính chất hấp thụ mạnh và có thể điều khiển được của các plasmonic nanoantenna trong vùng khả kiến. Cơ chế của sự tăng cường này là do khả năng tăng cường cường độ của bức xạ điện từ trong không gian hẹp của plasmonic nanoantennas và hiệu ứng truyền điện tử từ plasmonic nanoanntennas sang cấu trúc nano bán dẫn, từ đó thúc đẩy quá trình trao đổi điện tử giữa nano bán dẫn và các hoạt chất hữu cơ, làm tăng tốc độ phản ứng xúc tác.

Một phần kết quả nghiên cứu được trình bày trong Hình 1. Hình 1a trình bày kết quả khảo sát hình thái học và tính chất quang của hệ các hạt nano AuNP gắn lên một dây nano TiO2. Hình 1b cho thấy rằng hệ các hạt nano AuNPs trên dây nano TiO2 hấp thụ ánh sáng khá gần với vị trí đỉnh hấp thụ của các hạt nano AuNPs riêng lẻ trong dung dịch. Hình 1c trình bày kết quả mô phỏng phân bố của bức xạ điện từ trên hệ vật liệu. Kết quả cho thấy, bức xạ điện từ được tập trung với cường độ rất mạnh tại biên giữa nano AuNPs và nano TiO2. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự có mặt của hạt nano vàng trên dây nano TiO2 đã làm tăng hằng số tốc độ phản ứng phân hủy methylene blue đến 2,6 lần.

Đề tài đã thu được các kết quả sau:

Tổng hợp thành công các cấu trúc nano kim loại với hình thái học khác nhau, có bước sóng hấp thụ điều khiển được từ 530 nm đến 780 nm.

Chế tạo được các dây nano TiO2 và thanh nano ZnO có mật độ, hình dạng và tỷ lệ chiều dài và đường kính thích hợp làm chất xúc tác bằng phương pháp thủy nhiệt và điện hóa.

Chế tạo được hệ vật liệu hạt nano vàng gắn trên TiO2 và ZnO dùng làm chất xúc tác.

Các thành viên tham gia đề tài đã báo cáo kết quả nghiên cứu tại nhiều hội nghị Quốc tế và công bố ba bài báo thuộc danh mục SCI:

[1] Viet V. Tran, Oanh T. T. Nguyen, Chi H. Le, Tuan A. Phan, Ban V. Hoang, Thang D. Dao, Tadaaki Nagao and Chung V. Hoang, "Sub-10nm, high density titania nanoforests - gold nanoparticles composite for efficient sunlight-driven photocatalysis", Japanese Journal of Applied Physics 56 095001 (2017).

[2] Chi H. Le, Oanh T. T. Nguyen, Hieu S. Nguyen, Long D. Pham and Chung V. Hoang, "Controllable synthesis and visible-active photocatalytic properties of Au nanoparticles decorated urchin-like ZnO nanostructures", Current Applied Physics 17 1506-1512 (2017).

[3] Tung S. Bui, Thang D. Dao, Luu H. Dang, Lam D. Vu, Akihiko Ohi, Toshihide Nabatame, YoungPak Lee, Tadaaki Nagao and Chung V. Hoang, "Metamaterial-enhanced vibrational absorption spectroscopy for the detection of protein molecules", Scientific Reports 6 32123 (2016).

Ngoài các kết quả về xây dựng hướng nghiên cứu mới và thiết lập kênh hợp tác quốc tế, các tác giả đề tài đã làm chủ công nghệ tổng hợp các cấu trúc nano kim loại với hình dạng và kích thước khác nhau, với bước sóng cộng hưởng có thể điều khiển được từ vùng nhìn thấy tới vùng hồng ngoại. Các tác giả cũng đã tổng hợp thành công hệ vật liệu phức hợp tạo bởi nano kim loại và nano bán dẫn một chiều, chứng minh sự tăng cường hoạt tính quang xúc tác trong vùng nhìn thấy của hệ vật liệu phức hợp do sự có mặt của các cấu trúc nano kim loại. Kết quả của đề tài có thể được sử dụng như một kênh tham khảo cho các nghiên cứu kế tiếp về lĩnh vực plasmonics và mở rộng các ứng dụng của nó sang các lĩnh vực khác như chuyển đổi năng lượng và y tế.

Nguồn: TS. Hoàng Vũ Chung, Viện Khoa học vật liệu